Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 1 Stabilité temporelle de l’aimant d’IRM Iseult 11,75 T Diplôme de recherche technologique spécialité.

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1 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 1 Stabilité temporelle de l’aimant d’IRM Iseult 11,75 T Diplôme de recherche technologique spécialité : Electrotechnique de puissance Institut Polytechnique de Grenoble

2 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 2 Plan Introduction Principes de stabilisation Mise en application sur la station Seht Mesure de stabilité Conclusion

3 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 3 Plan Introduction Principes de stabilisation Mise en application sur la station Seht Mesure de stabilité Conclusion

4 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 4 Contexte projet Neurospin est un centre de neuroscience –Diagnostic des maladies neuro-dégénérative (Alzheimer) –IRM avec une résolution de 0,1 mm (3 T  1 mm) Un outil exceptionnel est nécessaire : Iseult –Augmenter le champ principal (11,75 T) –La zone utile est celle du cerveau humain (Ø=200 mm) 1,5 T7 T Crédit : CEA - Neurospin

5 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 5 Stabilité requise pour l’IRM Spécifications données –0,05 ppm/h sur le long terme –0,4 ppb sur 10 secondes Obtenir 0,05 ppm/h en mode persistant –Iseult L bob = 300 H –Il faut R bob =10 nΩ I bob Cryostat L bob R bob

6 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 6 Problématique de la stabilité La conception de l’aimant : –170 Doubles Galettes prévues –>1 nΩ par jonction –R bob >170 n   Le champ de l’aimant n’est pas assez stable (2,1 ppm/h)

7 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 7 Mode piloté L’aimant n’est pas assez stable I 0 +δI 0 + I Rd S2 Rd Cryostat L bob R bob Alimentation de courant S1 I bob +δI bob Une alimentation de courant sera connectée de manière permanente 1 ppm/h en courant 1 ppm/h en champ Comment modéliser  I 0 ? Un cas extrême : 120 s pour Iseult

8 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 8 On peut stabiliser l’aimant Deux solutions existent –L’insert de stabilité –Le mode semi persistant

9 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 9 Plan Introduction Principes de stabilisation Mise en application sur la station Seht Mesure de stabilité Conclusion

10 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 10 Plan Introduction Principes de stabilisation –Insert de stabilité –Mode semi persistant Mise en application sur la station Seht Mesure de stabilité Conclusion

11 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 11 Principe de l’Insert de stabilité Une bobine couplée à l’aimant Aimant principal Insert de stabilité Cryostat + I Rd S2 Rd L bob R bob Alimentation de courant S1 I 0 +δI 0 I bob +δI bob L ins M δI ins R ins

12 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 12 Ecrantage α Au centre de l’aimant La pente dépend de la constante de temps de l’insert  ins  R ins = 0 Ω  Circuit supraconducteur Coefficient 

13 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 13 Plan Introduction Principes de stabilisation –Insert de stabilité –Mode semi persistant Mise en application sur la station Seht Mesure de stabilité Conclusion

14 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 14 Principe semi persistant RdRd R d >> R f Dérive maximale + L bob R bob I bob +δI bob I 0 +δI 0 Cryostat Alimentation de courant I f +δI f RfRf S S2 S1

15 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 15 semi persistant - courant I f Mode permanent On veut I f >R bob + L bob R bob I bob +δI bob I 0 +δI 0 Cryostat Alimentation de courant I f +δI f RfRf S RdRd S2 S1  Rd>> R f > >R bob

16 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 16 Aspect protection En cas de quench Le courant doit se décharger dans R d R S >> R d La tension maximale est 4 kV sur Iseult + L bob R bob I bob +δI bob I 0 +δI 0 Cryostat Alimentation de courant I f +δI f RfRf S RdRd S2 S1 UdUd

17 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 17 Interrupteur supraconducteur Le système nécessite un switch S Un interrupteur supraconducteur thermique Nécessite une commande extérieure Peut ne pas s’ouvrir  inacceptable + L bob R bob I bob +δI bob I 0 +δI 0 Cryostat Alimentation de courant I f +δI f RfRf S RdRd S2 S1

18 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 18 Aspect protection S peut être un limiteur de courant  Ne nécessite pas de système d’ouverture  Est transparent pour la protection de l’aimant  Système breveté en collaboration avec l’Institut Néel du CNRS de Grenoble I f +δI f S RfRf RdRd + L bob R bob I bob +δI bob I 0 +δI 0 Cryostat Alimentation de courant S2 S1  La condition I f << I lim est imposée Courant de limitation I lim

19 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 19 Charge de l’aimant Le limiteur de courant sous la charge de l’aimant  Le limiteur de courant ne gène pas la charge de l’aimant I f +δI f S RfRf RdRd + L bob R bob I bob +δI bob I 0 +δI 0 Cryostat Alimentation de courant S2 S1 Courant de limitation I lim UcUc  On charge l’aimant en courant sous une tension U c

20 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 20 Plan Introduction Principes de stabilisation Mise en application sur la station Seht Mesure de stabilité Conclusion

21 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 21 Station Seht Station d’essais pour la R&D Iseult Caloduc Satellite Aimant DescriptionUnitéSehtIseult Champ nominal T811,7 R bob nΩ100~200 L bob H44308 RdRd Ω22,6 τs22120 I0I0 A8801500 UdUd kV1,84

22 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 22 Station Seht Station d’essais pour la R&D Iseult Caloduc Satellite Aimant DescriptionUnitéSehtIseult Champ nominal T811,7 R bob nΩ100~200 L bob H44308 RdRd Ω22,6 τs22120 I0I0 A8801500 UdUd kV1,84  Cet aimant est plus difficile à stabiliser

23 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 23 Station Seht Station d’essais pour la R&D Iseult Caloduc Satellite Aimant DescriptionUnitéSehtIseult Champ nominal T811,7 R bob nΩ100~200 L bob H44308 RdRd Ω22,6 τs22120 I0I0 A8801500 UdUd kV1,84  Cet aimant est plus difficile à stabiliser  Des conditions de fonctionnement comparables

24 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 24 Plan Introduction Principes de stabilisation Mise en application sur la station Seht –Insert de stabilité –Mode semi persistant Mesure de stabilité Conclusion

25 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 25 Insert sur Seht L’insert est au centre de l’aimant DescriptionUnitéValeurs Diamètre moyenmm672 Longueurmm578 α --8.10 -4 Le circuit est supraconducteur  R ins =0  Cryostat + I Rd S2 Rd L bob R bob S1 I 0 +δI 0 I bob +δI bob L ins M δI ins R ins

26 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 26 Réponse à un échelon Un modèle de l’alimentation de courant 1 ppm/30 min Les variations de l’alimentation de courant : A court-terme à 0,4 ppb sur 10 secondes sont difficiles à compenser A long-terme à 0,05 ppm/h sont faciles à compenser Dérive à 0,05 ppm/h

27 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 27 Réalisation Refroidi par conduction Isolation électrique Manutention Circulation hélium Cales en aluminium Bride de l’insert

28 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 28 Sensibilité aux erreurs de positionnement ErreurValeurs (mm)  en z+10-1,2.10 -3 -10-1,2.10 -3 au rayon58.10 -4 -5-2.10 -3 Problèmes liés aux dimensions de l’insert

29 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 29 Plan Introduction Principes de stabilisation Mise en application sur la station Seht –Insert de stabilité –Mode semi persistant Mesure de stabilité Conclusion

30 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 30 + L bob R bob I bob +δI bob I 0 +δI 0 Cryostat RfRf S S2 S1 RdRd I f +δI f Mode semi persistant sur Seht Les composants se trouvent dans la partie satellite de la station d’essais Satellite Aimant Une partie cryostat permet principalement d’accepter le limiteur de courant

31 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 31 Résistance R f R f est un fil de cuivre R f = 1000 x R bob = 100 µ   122 heures Spécifications données : 0,05 ppm/h 0,4 ppb / 10 s = 0,15 ppm/h

32 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 32 Limiteur de courant Charge Transition du limiteur Décharge DescriptionUnitéValeurs Seht InductancemH~1,3 Résistivité de la matriceµΩ.m0,4 (CuNi) Résistance à chaudkΩ7 Longueur de film500 Diamètre de bobinagemm150 Longueur de bobinagemm150

33 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 33 Plan Introduction Principes de stabilisation Mise en application sur la station Seht Mesure de stabilité Conclusion

34 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 34 Plan Introduction Principes de stabilisation Mise en application sur la station Seht Mesure de stabilité –Insert de stabilité –Mode semi persistant Conclusion

35 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 35 Avec et sans insert Alimentation de courant 1 ppm/h Avec insert 0,1 ppm/h – spécifications : < 0,05 ppm/h

36 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 36 Ecrantage α On fait un échelon dont on connaît la valeur  les 2 % d’erreur sur la droite de charge -20 ppm α =-20/2000 =-0,01 ≠ -0,0008 2000 ppm 

37 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 37 Plan Introduction Principes de stabilisation Mise en application sur la station Seht Mesure de stabilité –Insert de stabilité –Mode semi persistant Conclusion

38 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 38 Résultats semi persistant Alimentation seule ~2 ppm/h Mode stabilisé <0,065 ppm/h Seht  122 heures H0  20 heures

39 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 39 Plan Introduction Principes de stabilisation Mise en application sur la station Seht Mesure de stabilité Conclusion

40 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 40 Conclusion Insert Avantage de l’insert de stabilité –La solution n’est pas limitée par l’inductance et la résistance interne de l’aimant Inconvénients –Ses dimensions –Prend de la place sur le rayon interne de l’aimant principal

41 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 41 Conclusion mode semi persistant Avantages –S’insère dans l’électrotechnique de l’aimant –Le limiteur est transparent pour la protection de l’aimant –Le « filtre» est mieux adapté aux spécifications données pour l’IRM Inconvénient –La solution est limitée par l’inductance et la résistance interne de l’aimant

42 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 42 Conclusion Deux solutions ont été développées –Théorie, expérimentations sur prototypes échelle 1 Chacune à ses avantages –L’insert n’est pas limité par les caractéristiques de l’aimant mais ses performances sont sensibles aux tolérances. –Le mode semi persistant avec limiteur est plus facile à installer et répond aux exigences des spécifications Pour Iseult, on choisit le mode semi persistant

43 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 43 Merci de votre attention

44 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 44 Mesure sur Seht Une dépendance en température importante

45 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 45 Mesure sur Seht corrigée Très corrélée, on peut donc faire une correction 0,07 ppm/h

46 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 46 Limitation de courant R S, L S ISIS USUS Cryostat Courant de récupération Courant de limitation On applique quatre tensions constantes

47 Stephane Bermond CEA/IRFU/SACM/LEAS - Présentation de DRT 47 Point chaud du limiteur Calcul adiabatique V, ΔH, ΔT Q (J) Quelle volume pour que T max <300 K ? Q est déterminé par la tension de décharge et par la résistance propre du Limiteur A une section de fil donnée, une longueur de fil est solution